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Idrovo-Hidalgo T, Pignataro MF, Bredeston LM, Elias F, Herrera MG, Pavan MF, Foscaldi S, Suireszcz M, Fernández NB, Wetzler DE, Paván CH, Craig PO, Roman EA, Ruberto LAM, Noseda DG, Ibañez LI, Czibener C, Ugalde JE, Nadra AD, Santos J, D'Alessio C. Deglycosylated RBD produced in Pichia pastoris as a low-cost sera COVID-19 diagnosis tool and a vaccine candidate. Glycobiology 2024; 34:cwad089. [PMID: 37944064 DOI: 10.1093/glycob/cwad089] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 06/26/2023] [Revised: 10/26/2023] [Accepted: 11/01/2023] [Indexed: 11/12/2023] Open
Abstract
During the COVID-19 outbreak, numerous tools including protein-based vaccines have been developed. The methylotrophic yeast Pichia pastoris (synonymous to Komagataella phaffii) is an eukaryotic cost-effective and scalable system for recombinant protein production, with the advantages of an efficient secretion system and the protein folding assistance of the secretory pathway of eukaryotic cells. In a previous work, we compared the expression of SARS-CoV-2 Spike Receptor Binding Domain in P. pastoris with that in human cells. Although the size and glycosylation pattern was different between them, their protein structural and conformational features were indistinguishable. Nevertheless, since high mannose glycan extensions in proteins expressed by yeast may be the cause of a nonspecific immune recognition, we deglycosylated RBD in native conditions. This resulted in a highly pure, homogenous, properly folded and monomeric stable protein. This was confirmed by circular dichroism and tryptophan fluorescence spectra and by SEC-HPLC, which were similar to those of RBD proteins produced in yeast or human cells. Deglycosylated RBD was obtained at high yields in a single step, and it was efficient in distinguishing between SARS-CoV-2-negative and positive sera from patients. Moreover, when the deglycosylated variant was used as an immunogen, it elicited a humoral immune response ten times greater than the glycosylated form, producing antibodies with enhanced neutralizing power and eliciting a more robust cellular response. The proposed approach may be used to produce at a low cost, many antigens that require glycosylation to fold and express, but do not require glycans for recognition purposes.
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Affiliation(s)
- Tommy Idrovo-Hidalgo
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - María F Pignataro
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
- Facultad de Farmacia y Bioquímica, Departamento de Química Biológica, Universidad de Buenos Aires, Junín 965 C1113AAD. Buenos Aires, Argentina
| | - Luis M Bredeston
- Facultad de Farmacia y Bioquímica, Departamento de Química Biológica, Universidad de Buenos Aires, Junín 965 C1113AAD. Buenos Aires, Argentina
- Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas, (IQUIFIB), CONICET-Universidad de Buenos Aires, Junín 956 C1113AAD, Buenos Aires, Argentina
| | - Fernanda Elias
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas-Fundación Pablo Cassará, Instituto de Ciencia y Tecnología Dr. César Milstein, Saladillo 2468 C1440FFX, Buenos Aires, Argentina
| | - María G Herrera
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - María F Pavan
- Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE), CONICET-Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
| | - Sabrina Foscaldi
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - Mayra Suireszcz
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - Natalia B Fernández
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - Diana E Wetzler
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Química Biológica, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
- Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (IQUIBICEN), CONICET-Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - Carlos H Paván
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
- Facultad de Farmacia y Bioquímica, LANAIS-PROEM, Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas, (IQUIFIB), CONICET-Universidad de Buenos Aires, Junín 956, C1113AAD, Buenos Aires, Argentina
| | - Patricio O Craig
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Química Biológica, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
- Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (IQUIBICEN), CONICET-Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - Ernesto A Roman
- Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas, (IQUIFIB), CONICET-Universidad de Buenos Aires, Junín 956 C1113AAD, Buenos Aires, Argentina
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Química Biológica, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - Lucas A M Ruberto
- Facultad de Farmacia y Bioquímica, Universidad de Buenos Aires, Junín 965, C1113AAD, Buenos Aires, Argentina
- Instituto de Nanobiotecnología (NANOBIOTEC), CONICET-Universidad de Buenos Aires, Junín 965, C1113AAD, Buenos Aires, Argentina
- Instituto Antártico Argentino, Ministerio de Relaciones Exteriores y Culto, Av. 25 de Mayo 1147, B1650HMP, San Martín, Prov. de Buenos Aires, Argentina
| | - Diego G Noseda
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
- Instituto de Investigaciones Biotecnológicas (IIBio), Universidad Nacional de San Martín-CONICET, Av. 25 de Mayo y Francia S/N, B1650HMP, San Martín, Prov. de Buenos Aires, Argentina
| | - Lorena I Ibañez
- Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE), CONICET-Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
| | - Cecilia Czibener
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
- Instituto de Investigaciones Biotecnológicas (IIBio), Universidad Nacional de San Martín-CONICET, Av. 25 de Mayo y Francia S/N, B1650HMP, San Martín, Prov. de Buenos Aires, Argentina
| | - Juan E Ugalde
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
- Instituto de Investigaciones Biotecnológicas (IIBio), Universidad Nacional de San Martín-CONICET, Av. 25 de Mayo y Francia S/N, B1650HMP, San Martín, Prov. de Buenos Aires, Argentina
| | - Alejandro D Nadra
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
| | - Javier Santos
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Química Biológica, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
| | - Cecilia D'Alessio
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Fisiología y Biología Molecular y Celular, Instituto de Biociencias, Biotecnología y Biología Traslacional (iB3), Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Godoy Cruz 2290 C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Química Biológica, Universidad de Buenos Aires, Intendente Güiraldes 2160, C1428EGA, Buenos Aires, Argentina
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Bitran A, Park K, Serebryany E, Shakhnovich EI. Co-translational formation of disulfides guides folding of the SARS-CoV-2 receptor binding domain. Biophys J 2023; 122:3238-3253. [PMID: 37422697 PMCID: PMC10465708 DOI: 10.1016/j.bpj.2023.07.002] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 11/21/2022] [Revised: 05/27/2023] [Accepted: 07/03/2023] [Indexed: 07/10/2023] Open
Abstract
Many secreted proteins, including viral proteins, contain multiple disulfide bonds. How disulfide formation is coupled to protein folding in the cell remains poorly understood at the molecular level. Here, we combine experiment and simulation to address this question as it pertains to the SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD). We show that the RBD can only refold reversibly if its native disulfides are present before folding. But in their absence, the RBD spontaneously misfolds into a nonnative, molten-globule-like state that is structurally incompatible with complete disulfide formation and that is highly prone to aggregation. Thus, the RBD native structure represents a metastable state on the protein's energy landscape with reduced disulfides, indicating that nonequilibrium mechanisms are needed to ensure native disulfides form before folding. Our atomistic simulations suggest that this may be achieved via co-translational folding during RBD secretion into the endoplasmic reticulum. Namely, at intermediate translation lengths, native disulfide pairs are predicted to come together with high probability, and thus, under suitable kinetic conditions, this process may lock the protein into its native state and circumvent highly aggregation-prone nonnative intermediates. This detailed molecular picture of the RBD folding landscape may shed light on SARS-CoV-2 pathology and molecular constraints governing SARS-CoV-2 evolution.
Collapse
Affiliation(s)
- Amir Bitran
- Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, Massachusetts; PhD Program in Biophysics, Harvard University, Cambridge, Massachusetts.
| | - Kibum Park
- Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, Massachusetts
| | - Eugene Serebryany
- Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, Massachusetts
| | - Eugene I Shakhnovich
- Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, Massachusetts.
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